金屬預(yù)合金粉末與單質(zhì)粉末在應(yīng)用中的配伍特點研究①

董書山，吳雪峰，劉曉旭，劉益剛

（黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南 長葛 461500）

金屬預(yù)合金粉末與單質(zhì)粉末在應(yīng)用中的配伍特點研究①

董書山，吳雪峰，劉曉旭，劉益剛

（黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南 長葛 461500）

針對金屬結(jié)合劑超硬材料工具常用單質(zhì)Fe、Cu及預(yù)合金粉末的性能特點，結(jié)合生產(chǎn)實踐，總結(jié)分析了其在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用特點及二者在配合應(yīng)用過程中的配伍特性，從粉末的氧含量、粒度、形貌、松比的配合要求等方面開展了一些基本研究，闡述了二者協(xié)同作用時所應(yīng)控制的一些基本要素，為單質(zhì)及預(yù)合金粉末在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)幫助。

金屬預(yù)合金粉末，單質(zhì)金屬粉末，物理特性，配伍應(yīng)用

1 前言

超硬材料工具已發(fā)展幾十年，廣泛應(yīng)用于建筑、裝修、機械、石材、陶瓷、玻璃、汽車、航空航天等眾多行業(yè)領(lǐng)域，金剛石及立方氮化硼多年來一直保持快速發(fā)展勢頭，從1982年至2011年的三十年內(nèi)年均復(fù)合增長率為30.93%［1］，超硬材料工具亦保持同步增長。目前，我國已發(fā)展成為全球超硬材料生產(chǎn)大國，超硬材料成為我國具有特色的產(chǎn)業(yè)之一。多年來，我國金屬結(jié)合劑超硬材料工具一直沿用傳統(tǒng)的單質(zhì)金屬粉末混配應(yīng)用方式進行生產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模雖不斷發(fā)展壯大，技術(shù)雖不斷提升，但發(fā)展至今，我國只是超硬材料生產(chǎn)大國而不是強國，其遇到的發(fā)展瓶頸是由于原材料的嚴(yán)重制約，這也是我國其它行業(yè)所面臨的同樣問題。就行業(yè)的整體現(xiàn)狀而言，金剛石的發(fā)展已進入一個穩(wěn)定時期，原來制約金剛石發(fā)展的因素已基本解除，而目前影響和制約我國超硬材料工具進一步發(fā)展壯大的主要因素是金屬粉末基礎(chǔ)原材料的發(fā)展水平，尤其是Fe、Cu等重要的基礎(chǔ)材料的發(fā)展水平，無論是單質(zhì)粉末還是預(yù)合金粉末。目前我國超硬材料制品行業(yè)所參照及執(zhí)行的相關(guān)單質(zhì)金屬粉末標(biāo)準(zhǔn)都過于寬泛，按這些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行無法滿足超硬材料工具行業(yè)的實際發(fā)展要求，而金屬預(yù)合金粉末還沒有一個相對獨立完善的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，整個市場的供貨質(zhì)量狀態(tài)參差不齊，這都極大地限制了超硬材料制品行業(yè)的發(fā)展，這對整個行業(yè)來說是源頭上的制約?；A(chǔ)材料工業(yè)的提升是下游制品行業(yè)進步的基礎(chǔ)，夯實這個基礎(chǔ)，制品行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展才能得到有效保障。目前的現(xiàn)狀是各個原材料廠家各自為戰(zhàn)，更多的是依靠價格戰(zhàn)及人脈關(guān)系來維系供求關(guān)系和市場占有率，大多數(shù)原材料廠商并沒有真正了解制品行業(yè)的所需，只是沿用多年的傳統(tǒng)經(jīng)驗積累，而這也恰恰限制了原材料廠家的自身進步，影響了整個制品行業(yè)的發(fā)展。預(yù)合金粉末的應(yīng)用給制品行業(yè)帶來了新的進步機遇，其在很多方面都有很大優(yōu)勢，在很大程度上彌補了單質(zhì)金屬粉末的不足，在整個行業(yè)的消費量逐年猛增。但從行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及今后長時期的發(fā)展需求來看，單質(zhì)金屬粉末與預(yù)合金粉末并存發(fā)展的格局仍將長期存在，尤其是單質(zhì)Fe粉和Cu粉這兩大類基礎(chǔ)粉末是不可或缺的。而預(yù)合金粉末的應(yīng)用比例也將會逐步提升，彌補行業(yè)在基礎(chǔ)材料和制備工藝上的一些傳統(tǒng)缺失，給整個行業(yè)提供新的發(fā)展基礎(chǔ)。如此一來，就涉及預(yù)合金粉末與單質(zhì)金屬粉末的合理配伍應(yīng)用問題，只要單質(zhì)金屬粉末在一些關(guān)鍵性能指標(biāo)，如純度、氧含量、粒度、形貌結(jié)構(gòu)、燒結(jié)活性等方面能與預(yù)合金粉末相適配，就能充分發(fā)揮二者的組合應(yīng)用效能，大幅度提高工具的綜合性價比，更大程度地滿足行業(yè)的發(fā)展需求，促進行業(yè)的發(fā)展與進步，這也將是我國制品行業(yè)有別于國外發(fā)展模式的一條必由之路。因此，了解并掌握單質(zhì)及預(yù)合金粉末的各自性能特點，充分發(fā)揮二者的組合效能，是目前行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實之路。

2 設(shè)計方案

以基礎(chǔ)的單質(zhì)Fe、Cu及基礎(chǔ)預(yù)合金粉末JF－01（FeCu30）為考察對象，保持JF－01的性能指標(biāo)不變，采用不同質(zhì)量狀態(tài)的單質(zhì)Fe粉及Cu粉與JF－01混配使用，測試組合粉末燒結(jié)體的硬度、抗彎強度、燒結(jié)致密度等機械性能指標(biāo)，考察胎體對金剛石的包鑲狀態(tài)及通過對工具的實際切割效果比較，以研究確定單質(zhì)及預(yù)合金粉末質(zhì)量狀態(tài)間的相互匹配性，尋求二者間的適配范圍。表1列舉的是所采用的各種粉末原材料的相關(guān)性能指標(biāo)。

由于市售Fe粉的質(zhì)量差異很大，本文重點考察其氧含量、粒度、松比等性能指標(biāo)對工具胎體燒結(jié)質(zhì)量的影響，選材時從以下幾個方面對比考慮：①粒度相似，氧含量差異大；②氧含量相似，粒度差異大；③氧含量相似，細(xì)顆粒還原Fe粉；④氧含量相似，化學(xué)法制備細(xì)顆粒Fe粉。

對于電解Cu粉，在純度、氧含量及燒結(jié)活性基本相似的情況下，對燒結(jié)胎體質(zhì)量影響最大的因素是其粒度和結(jié)構(gòu)形狀。因此，確定電解Cu粉時主要是選擇粒度和樹枝狀結(jié)構(gòu)不同的粉末。整個實驗過程中選用相同批次的單質(zhì)Sn粉及預(yù)合金JF－01，以保持其參照質(zhì)量的穩(wěn)定性。

表1 實驗原材料相關(guān)性能數(shù)據(jù)Table 1 Performance data of testing materials

上述原材料的組合應(yīng)用配方設(shè)計為45% JF－01、30%Fe、22%Cu、3%Sn，測試比較燒結(jié)胎體的抗彎強度、燒結(jié)硬度，并制備成Φ350mm花崗巖鋸片在全自動切割試驗機上濕切17mm厚的安溪紅板材，進行性能比較。

3 結(jié)果及討論

近年來，預(yù)合金粉末在行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其制作方法有霧化法、化學(xué)共沉淀法、電解法等。其中，水霧化法所制備的預(yù)合金粉末市售量最大，其應(yīng)用量也在迅速擴大。但預(yù)合金粉末仍處于起步發(fā)展階段，目前其全部應(yīng)用量仍不足全部金屬粉末消費量的8%，而通常情況下，預(yù)合金粉末在配方中所占比例超過30%后，才能明顯體現(xiàn)出其性能特點，因此，預(yù)合金粉末仍有極大的市場空間。目前影響預(yù)合金粉末應(yīng)用量擴大的原因主要是價格、質(zhì)量穩(wěn)定性、冷壓成型性、與單質(zhì)金屬粉末的燒結(jié)匹配性及用戶的傳統(tǒng)思維定式。而現(xiàn)階段普遍存在的一個應(yīng)用障礙就是預(yù)合金粉末與單質(zhì)粉末間的適用匹配性問題。因此，尋求二者間的合適性能匹配，是預(yù)合金粉末發(fā)揮作用的一個重要基礎(chǔ)。Fe和Cu是現(xiàn)階段及今后長時期內(nèi)金屬結(jié)合劑超硬材料工具所必需依賴的兩種最重要的基礎(chǔ)材料，其性能的優(yōu)劣對預(yù)合金粉末特性的發(fā)揮有著重要而廣泛的影響。只要選擇合適質(zhì)量的Fe和Cu，就能很好發(fā)揮其與預(yù)合金粉末的組合應(yīng)用優(yōu)勢。

圖1和圖2是兩種氧含量相似，而粒度分布不同的還原Fe粉，粗粒度的1＃Fe粉中－400以細(xì)顆粒所占比例＜50%，而2＃Fe粉中－400以細(xì)顆粒所占比例＞65%。圖3是與2＃Fe粉粒度相似，而氧含量較高的3＃還原Fe粉；圖4是市售－400目的細(xì)顆粒還原Fe粉；圖5是化學(xué)法制備的超細(xì)Fe粉，其平均粒度＜10μm，松比低，化學(xué)活性好。

圖1 1＃Fe粉SEM形貌Fig.1 SEM photograph of 1＃Fe powder

圖2 2＃Fe粉SEM形貌Fig.2 SEM photograph of 2＃Fe powder

圖3 3＃Fe粉SEM形貌Fig.3 SEM photograph of 3＃Fe powder

圖4 4＃Fe粉SEM形貌Fig.4 SEM photograph of 4＃Fe powder

圖5 5＃Fe粉SEM形貌Fig.5 SEM photograph of 5＃Fe powder

圖6 市售普通電解Cu粉SEM形貌Fig.6 SEM photograph of common electrolytic copper powder

圖7 細(xì)粒度電解Cu粉SEM形貌Fig.7 SEM photograph of fine grained electrolytic copper powder

圖8 市售普通Sn粉SEM形貌Fig.8 SEM photograph of common Sn powder

圖6為市售普通1＃電解Cu粉SEM形貌，樹枝狀結(jié)構(gòu)欠發(fā)達(dá)；圖7為低松比、細(xì)顆粒的2＃電解Cu粉SEM形貌，樹枝狀結(jié)構(gòu)較為精細(xì)發(fā)達(dá)。

3.1 Fe粉質(zhì)量狀態(tài)對鋸片性能的影響

選定普通電解Cu粉（圖6）、Sn粉（圖8）及同批次的合金粉JF－01，采用不同質(zhì)量狀態(tài)的Fe粉，按上述配方進行燒結(jié)測試，并制備Φ350mm鋸片，進行濕切試驗，相關(guān)性能數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同F(xiàn)e粉組合配方燒結(jié)性能及鋸片切割數(shù)據(jù)Table 2 Performance data of sintering matrix by using different kinds of Fe powder and the related saw blade cutting rate

分析比較表2的性能數(shù)據(jù)可以看出，在其它條件不變的情況下，單獨改變Fe粉質(zhì)量，就會給燒結(jié)胎體及鋸片性能帶來很大影響，其對氧含量、粒度、松裝密度及表面活性等幾項指標(biāo)的變化影響最大：

（1）在氧含量變化不大的情況下，F(xiàn)e粉粒度越粗，燒結(jié)溫度越高，而胎體的燒結(jié)硬度、抗彎強度及致密度也相對較低，對金剛石的機械把持力差，切割鋒利度不足，濕切速度慢；

（2）Fe粉粒度相近的情況下，氧含量越低，燒結(jié)溫度越低，燒結(jié)胎體的致密度越好、燒結(jié)硬度及抗彎強度越高，胎體對金剛石的把持力增強，濕切速度提高；

（3）Fe粉粒度越細(xì)（－400目以細(xì)），燒結(jié)溫度也隨之降低，燒結(jié)胎體的致密度、燒結(jié)硬度及抗彎強度也都相應(yīng)提高，胎體對金剛石的機械把持力也得到提高，濕切速度提高；

（4）化學(xué)法制備的超細(xì)Fe粉粒度細(xì)，表面活性高，燒結(jié)溫度可大幅度降低，胎體的燒結(jié)致密度高，硬度適中，抗彎強度最高，胎體對金剛石的機械把持力明顯改善，濕切速度最快。

Fe粉的氧含量對燒結(jié)胎體的性能影響極大［2，3，4］，對燒結(jié)工藝及刀頭性能都具有決定性作用。Fe粉的廉價特點決定了其在金剛石工具中的無可替代地位，正是因為廉價，所以生產(chǎn)廠家眾多，質(zhì)量參差不齊，對鐵基金剛石工具的性能穩(wěn)定性有著重要影響。對大多數(shù)鐵基胎體金剛石工具而言，適用的Fe粉應(yīng)具備低氧量、細(xì)顆粒、低松比、高活性的特點才能較好滿足實際生產(chǎn)需求，這也是今后Fe粉的發(fā)展方向。

3.2 Cu粉質(zhì)量狀態(tài)對鋸片性能的影響

目前，市售電解Cu粉在純凈度、氧含量、抗氧化性等方面的差異不大，而最大的差異，也是對燒結(jié)胎體影響最大的因素是其粒度和顆粒形狀結(jié)構(gòu)，工具性能在很大程度上受制于其樹枝狀結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá)程度。發(fā)達(dá)的樹枝狀結(jié)構(gòu)是保證混料均勻性、燒結(jié)工藝穩(wěn)定性及胎體性能穩(wěn)定性的基本保障。圖6，圖7是兩種形貌結(jié)構(gòu)不同的電解Cu粉，其粒度和松比也有較大差異，這些差異會導(dǎo)致燒結(jié)胎體的機械性能產(chǎn)生很大的變化。

圖9 粗粒度電解Cu粉燒結(jié)組織Fig.9 SEM microstructure of the sintered matrix using coarse grained electrolytic copper powder

圖10 粗電解Cu燒結(jié)胎體對金剛石包鑲Fig.10 Diamond impregnated by sintering matrix of using coarse grained electrolytic copper powder

粗顆粒電解Cu粉往往呈“葡萄串”、“玉米棒”或“谷穗”狀（圖6），失去發(fā)達(dá)樹枝狀結(jié)構(gòu)，易導(dǎo)致混料均勻性差、冷壓成型性差、燒結(jié)工藝穩(wěn)定性差、燒結(jié)組織均勻性／致密性差、燒結(jié)組織冷卻收縮集中而使胎體與金剛石間產(chǎn)生縫隙等一系列問題。圖9左側(cè)呈大面積河流狀組織即為典型粗顆粒電解Cu粉燒結(jié)后的組織形態(tài)；圖10則為粗顆粒電解Cu粉高溫?zé)Y(jié)冷卻后由于胎體收縮過大而引起金剛石與組織間出現(xiàn)了較大縫隙，胎體對金剛石的機械把持力下降，工具性能因此而受影響。

上述實驗是采用粗顆粒電解Cu粉所獲得的結(jié)果，目的是為了考察Fe粉質(zhì)量狀態(tài)的影響；而下述實驗則是在選定JF－01及單質(zhì)Sn粉的同時，在上述實驗的基礎(chǔ)上，選用5＃超細(xì)Fe粉及2＃電解Cu粉進行相同實驗，以對比考察Cu粉質(zhì)量狀態(tài)對工具性能的影響，相關(guān)測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 2＃電解Cu粉配方燒結(jié)性能及鋸片切割數(shù)據(jù)Table 3 Performance data of sintering matrix and saw blade cutting rate of using 2＃electrolytic copper powder

表3實驗數(shù)據(jù)充分反映出高質(zhì)量粉末組合應(yīng)用的優(yōu)勢特征：燒結(jié)溫度低，致密度高，硬度高，抗彎強度高，胎體對金剛石的機械把持力強，切割速度明顯提高。而且，切割時的平穩(wěn)性、連續(xù)性較好，基本消除了切割衰減現(xiàn)象。由于2＃Cu粉的顆粒細(xì)，樹枝狀結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，極大改善了混料的均勻性，因而燒結(jié)胎體組織的均勻性、致密性、收縮性都得到了相應(yīng)改善，胎體組織的整體機械性能得到了提高，對金剛石的機械把持力增強，鋸片的切割性能大幅度改善。圖11、圖12分別是觀測到的燒結(jié)胎體組織及其對金剛石的包鑲狀態(tài)SEM形貌。

圖11 細(xì)粒度電解Cu胎體燒結(jié)組織Fig.11 SEM microstructure of the sintering matrix using fine grained electrolytic copper powder

圖12 細(xì)粒度電解Cu胎體對金剛石包鑲

Fig.12 Diamond impregnated by the sintering matrix using fine grained electrolytic copper powder

從圖11可以看出，燒結(jié)胎體組織十分均勻、細(xì)膩，胎體對金剛石的包鑲十分緊密（圖12），機械把持力較強。同時，這種組織對焊接熱循環(huán)溫度場的破壞抗力較強，可保證刀頭在焊接后的組織仍對金剛石具有較好的把持力，可降低或消除鋸片的切割衰減。

上述實驗是在大量優(yōu)化設(shè)計實驗的結(jié)果中篩選出的具有代表性意義的實驗結(jié)果，也是在對大量用戶實際產(chǎn)品進行分析總結(jié)后的歸納，具有廣泛的生產(chǎn)實踐指導(dǎo)意義。

由于目前市場上應(yīng)用量較大的主流基礎(chǔ)Fe－Cu系列預(yù)合金粉末的質(zhì)量穩(wěn)定性相對較好，其應(yīng)用效果的優(yōu)劣除自身性能的發(fā)揮外，主要取決于與其配合應(yīng)用的單質(zhì)金屬粉末質(zhì)量，只有選擇、控制好各種粉末的質(zhì)量狀態(tài)，才能充分發(fā)揮應(yīng)用配方的組合優(yōu)勢，大幅度改善工具的綜合應(yīng)用效能。

4 結(jié)論與建議

（1）金屬結(jié)合劑工具胎體性能是原材料質(zhì)量、制備工藝、配方設(shè)計的組合工程，工具性能的優(yōu)劣首先受制于原材料質(zhì)量狀態(tài)，選擇、控制原材料質(zhì)量狀態(tài)是制備高性能工具的基礎(chǔ)條件；

（2）預(yù)合金粉末性能的發(fā)揮除與其自身特性有關(guān)外，還取決于與其配合應(yīng)用的單質(zhì)金屬粉末質(zhì)量；

（3）單質(zhì)Fe粉是應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)材料，其氧含量的適用范圍是＜4000×10－6，粗／細(xì)粒度比及松裝密度對燒結(jié)胎體的性能狀態(tài)也有著重要影響，而這一點也往往是被生產(chǎn)廠商及眾多用戶所忽略的；

（4）電解Cu粉對金剛石工具燒結(jié)胎體影響最大的因素是其粒度分布和樹枝狀結(jié)構(gòu)；

（5）建議各類金屬粉末生產(chǎn)商在重視提高自身產(chǎn)品質(zhì)量的同時，還要詳細(xì)掌握了解用戶的實際生產(chǎn)需求，有針對性的改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以高于現(xiàn)行國標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)實施生產(chǎn)，為用戶提供穩(wěn)定性高、實用性好的產(chǎn)品。

［1］李志宏.結(jié)構(gòu)調(diào)整進展緩慢，由大轉(zhuǎn)強任重道遠(yuǎn)［C］.2012中國超硬材料技術(shù)發(fā)展論壇論文集，2012（10）：1－8.

［2］董書山，等.金屬粉末氧含量對金剛石工具性能的影響［J］.工業(yè)金剛石，2010（1－2）：109－117.

［3］董書山，等.金屬粉末質(zhì)量控制對金剛石工具性能影響的探討（上）［J］.超硬材料工程，2011（5）：14－17.

［4］董書山，等.金屬粉末質(zhì)量控制對金剛石工具性能影響的探討（下）［J］.超硬材料工程，2011（6）：29－32.

依靠科技力量 哈爾濱做強超硬材料產(chǎn)業(yè)

哈爾濱市政府隆重推出了《哈爾濱市科技成果招商項目冊》，面向全社會進行招商，這不僅是該市推進科技成果轉(zhuǎn)化、促進產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的一項重要舉措，更是貫徹黨的十八大精神、落實創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)。

經(jīng)過認(rèn)真篩選，《哈爾濱市科技成果招商項目冊》共納入63個科技成果項目，涵蓋了裝備制造、新材料、新能源裝備、生物、電子信息、綠色食品等六大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，推出的很多項目在產(chǎn)品性能和工藝技術(shù)方面有重大突破，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先或國際先進水平，市場前景廣闊并具備良好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，這些凝聚著哈爾濱市廣大科技工作者聰明智慧和辛勤汗水的科技成果項目不僅充分展示了哈爾濱市強大的科技研發(fā)實力，也進一步彰顯了哈爾濱市科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展所蘊含的巨大潛力。

其中超硬材料相關(guān)行業(yè)的科技成果項目有：

超精密金剛石車床產(chǎn)業(yè)化項目。本項目依托哈爾濱工業(yè)大學(xué)，通過對超精密金剛石切削技術(shù)及其工藝進行研究開發(fā)，制造超精密加工設(shè)備，解決目前國家高端裝備制造領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸問題。項目總投資5100萬元，擬出讓股權(quán)20%，融資3500萬元。

超硬涂層技術(shù)研發(fā)及涂層設(shè)備制造項目。本項目依托哈爾濱工業(yè)大學(xué)，消化吸收世界領(lǐng)先的類金剛石涂層及設(shè)備制造技術(shù)，通過技術(shù)改造，實現(xiàn)涂層技術(shù)和設(shè)備國產(chǎn)化，填補國內(nèi)空白。項目總投資3600萬元，擬出讓股權(quán)20%，融資2000萬元。

（中國研磨網(wǎng)）

Compatibility of pre－alloyed metal powder and elementary metal powder

DONG Shu－shan，WU Xue－feng，LIU Xiao－xu，LIU Yi－gang
（Huanghe Whirlwind Co.，Ltd.，Changge 461500，Henan）

Based on production practice，this paper summarizes and analyzes the applying and compatible features of elemental iron powder，electrolytic copper powder and the prealloyed metal powders，which are widely used in metal bond diamond tools.Some basic research are carried out with regard to the oxygen content，particle size，microstructure and loose density of the powders，and some essential factors of these powders which should be well controlled in their coordinating actions are discussed in details in the paper，which gives an actual guidance for the diamond tool manufactures.

pre－alloyed metal powder；elemental metal powder；physical characteristics；compatible application

TQ164

A

1673－1433（2013）01－0006－06

2013－01－15

董書山（1966－），男，高級工程師，長期從事超硬材料方面的研發(fā)工作。